TSL初步了解

我会带着你远行 2022-05-14 15:51 1773阅读 0赞

**1.概述**

TSL(Transport Layer Security)安全传输层协议

安全传输层协议（TLS）用于在两个通信应用程序之间提供保密性和数据完整性。

TSL由两层组成：TLS 记录协议（TLS Record）和 TLS 握手协议（TLS Handshake）。

由于在TCP、UDP等方式传输数据时，数据包有可能被其他人截获，并解析出信息，这就给信息安全带来了很大的挑战。

最初的SSL协议被网景公司提出，它不会影响上层协议(如HTTP、电子邮件等)，但可以保证上层协议的通信安全。如果正确的使用SSL，第三方只能推断连接的两端地址、加密类型，以及数据频率和发送的大概数据量，但无法读取或修改任何实际数据。IETF后来在标准化SSL协议时，将其改为了TLS。很多人会混用SSL与TLS，但严格来说它们指代的协议版本不同（SSL3.0的升级版才是TLS1.0）。本文重在讲述TLS的概念和原理及其网络优化。

**2.加密、身份验证与完整性**

TLS协议的目标是为信息传输提供三个基本的保证：加密、身份验证和数据完整性。这三种服务并不是必须的，可以根据具体的应用场景进行选择。

加密：混淆数据的机制。

身份验证：验证身份标识有效性的机制。

完整性：检测消息是否被篡改或伪造的机制。

**3.TSL基本的运行过程**

SSL/TLS协议的基本思路是采用公钥加密法，也就是说，客户端先向服务器端索要公钥，然后用公钥加密信息，服务器收到密文后，用自己的私钥解密。

（1）如何保证公钥不被篡改？  
解决方法：将公钥放在数字证书中。只要证书是可信的，公钥就是可信的。

（2）公钥加密计算量太大，如何减少耗用的时间？  
解决方法：每一次对话（session），客户端和服务器端都生成一个"对话密钥"（session key），用它来加密信息。由于"对话密钥"是对称加密，所以运算速度非常快，而服务器公钥只用于加密"对话密钥"本身，这样就减少了加密运算的消耗时间。

因此，SSL/TLS协议的基本过程是这样的：  
（1） 客户端向服务器端索要并验证公钥。  
（2） 双方协商生成"对话密钥"。  
（3） 双方采用"对话密钥"进行加密通信。

上面过程的前两步，又称为"握手阶段"（handshake）。

**4.TSL握手**

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"握手阶段"涉及四次通信，我们一个个来看。需要注意的是，"握手阶段"的所有通信都是明文的。

**4.1 客户端发出请求（ClientHello）**

首先，客户端（通常是浏览器）先向服务器发出加密通信的请求，这被叫做ClientHello请求。

在这一步，客户端主要向服务器提供以下信息。

（1） 支持的协议版本，比如TLS 1.0版。  
（2） 一个客户端生成的随机数，稍后用于生成"对话密钥"。  
（3） 支持的加密方法，比如RSA公钥加密。  
（4） 支持的压缩方法。

这里需要注意的是，客户端发送的信息之中不包括服务器的域名。也就是说，理论上服务器只能包含一个网站，否则会分不清应该向客户端提供哪一个网站的数字证书。这就是为什么通常一台服务器只能有一张数字证书的原因。

对于虚拟主机的用户来说，这当然很不方便。2006年，TLS协议加入了一个Server Name Indication扩展，允许客户端向服务器提供它所请求的域名。

**4.2 服务器回应（SeverHello）**

服务器收到客户端请求后，向客户端发出回应，这叫做SeverHello。服务器的回应包含以下内容。

（1） 确认使用的加密通信协议版本，比如TLS 1.0版本。如果浏览器与服务器支持的版本不一致，服务器关闭加密通信。  
（2） 一个服务器生成的随机数，稍后用于生成"对话密钥"。  
（3） 确认使用的加密方法，比如RSA公钥加密。  
（4） 服务器证书。

除了上面这些信息，如果服务器需要确认客户端的身份，就会再包含一项请求，要求客户端提供"客户端证书"。比如，金融机构往往只允许认证客户连入自己的网络，就会向正式客户提供USB密钥，里面就包含了一张客户端证书。

**4.3 客户端回应**

客户端收到服务器回应以后，首先验证服务器证书。如果证书不是可信机构颁布、或者证书中的域名与实际域名不一致、或者证书已经过期，就会向访问者显示一个警告，由其选择是否还要继续通信。

如果证书没有问题，客户端就会从证书中取出服务器的公钥。然后，向服务器发送下面三项信息。

（1） 一个随机数。该随机数用服务器公钥加密，防止被窃听。  
（2） 编码改变通知，表示随后的信息都将用双方商定的加密方法和密钥发送。  
（3） 客户端握手结束通知，表示客户端的握手阶段已经结束。这一项同时也是前面发送的所有内容的hash值，用来供服务器校验。

上面第一项的随机数，是整个握手阶段出现的第三个随机数，又称"pre-master key"。有了它以后，客户端和服务器就同时有了三个随机数，接着双方就用事先商定的加密方法，各自生成本次会话所用的同一把"会话密钥"。

至于为什么一定要用三个随机数，来生成"会话密钥"，dog250解释得很好：

“不管是客户端还是服务器，都需要随机数，这样生成的密钥才不会每次都一样。由于SSL协议中证书是静态的，因此十分有必要引入一种随机因素来保证协商出来的密钥的随机性。对于RSA密钥交换算法来说，pre-master-key本身就是一个随机数，再加上hello消息中的随机，三个随机数通过一个密钥导出器最终导出一个对称密钥。pre master的存在在于SSL协议不信任每个主机都能产生完全随机的随机数，如果随机数不随机，那么pre master secret就有可能被猜出来，那么仅适用pre master secret作为密钥就不合适了，因此必须引入新的随机因素，那么客户端和服务器加上pre master secret三个随机数一同生成的密钥就不容易被猜出了，一个伪随机可能完全不随机，可是是三个伪随机就十分接近随机了，每增加一个自由度，随机性增加的可不是一。”

此外，如果前一步，服务器要求客户端证书，客户端会在这一步发送证书及相关信息。

**4.4 服务器的最后回应**

服务器收到客户端的第三个随机数pre-master key之后，计算生成本次会话所用的"会话密钥"。然后，向客户端最后发送下面信息。

（1）编码改变通知，表示随后的信息都将用双方商定的加密方法和密钥发送。  
（2）服务器握手结束通知，表示服务器的握手阶段已经结束。这一项同时也是前面发送的所有内容的hash值，用来供客户端校验。

至此，整个握手阶段全部结束。接下来，客户端与服务器进入加密通信，就完全是使用普通的HTTP协议，只不过用"会话密钥"加密内容。

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客户端与服务器在通过TLS交换数据之前，必须协商建立加密信道。协商内容包括：TLS版本、加密套件，必要时还要验证证书。其每次协商，都需要在客户端和服务端往返，大致过程如下：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_27_color_FFFFFF_t_70]

0 ms：TLS运行在TCP基础之上，这意味着我们必须首先完成TCP 三次握手“ ，这需要一个完整的来回交互(RTT)。

56 ms：TCP连接建立后，客户端发送一些协商信息，如TLS协议版本，支持的密码套件的列表，和其他TLS选项。

84 ms：服务器挑选TLS协议版本，在加密套件列表中挑选一个密码套件，附带自己的证书，并将响应返回给客户端。可选的，服务器也可以发送对客户端的证书认证请求和其他TLS扩展参数。

112 ms：假设双方协商好一个共同的TLS版本和加密算法，客户端使用服务器提供的证书，生成新的对称密钥，并用服务器的公钥进行加密，并告诉服务器切换到加密通信流程。到现在为止，所有被交换的数据都是以明文方式传输，除了对称密钥外，它采用的是服务器端的公钥加密。

140 ms：服务器用自己的私钥解密客户端发过来的对称密钥，并通过验证MAC检查消息的完整性，并返回给客户端一个加密的“Finished”的消息。

168 ms：客户端采用对称密钥解密消息，并验证MAC，如果一切OK，加密隧道就建立好了。应用程序数据就可以发送了。

进一步详细信息可以参考：[https://www.cnblogs.com/syfwhu/p/5219814.html\#][https_www.cnblogs.com_syfwhu_p_5219814.html]

参考文章：  
[http://www.ruanyifeng.com/blog/2014/02/ssl\_tls.html][http_www.ruanyifeng.com_blog_2014_02_ssl_tls.html]  
[https://www.cnblogs.com/Anker/p/6082966.html][https_www.cnblogs.com_Anker_p_6082966.html]  
[https://blog.csdn.net/anningzhu/article/details/77517432][https_blog.csdn.net_anningzhu_article_details_77517432]

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[https_www.cnblogs.com_syfwhu_p_5219814.html]: https://www.cnblogs.com/syfwhu/p/5219814.html#
[http_www.ruanyifeng.com_blog_2014_02_ssl_tls.html]: http://www.ruanyifeng.com/blog/2014/02/ssl_tls.html
[https_www.cnblogs.com_Anker_p_6082966.html]: https://www.cnblogs.com/Anker/p/6082966.html
[https_blog.csdn.net_anningzhu_article_details_77517432]: https://blog.csdn.net/anningzhu/article/details/77517432